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WDM技术的原理及其应用与发展(吴海西)<1>

2/14/2005来源:光纤通信人气:8721

WDM技术的原理及其应用与发展(吴海西)<1> 摘要:电信运营商必须采用既经济有效又能满足业务需求的传输解决方案,才能更好 地节约光纤资源,延长传输距离。波分复用(WDM)技术正是满足了运营商的诸多要求,才 能被广泛地应用在当今的传输网络中。文章从 WDM技术的基本原理与特点入手,介绍了WDM 系统在现代传送网和数据业务中的应用,并指出了WDM技术的发展方向。 关键词:波分复用 OADM OXC 一、WDM技术概述 所谓波分复用(WDM),就是把具有不同标称波长的几个或几十个光通路信号复用到一 根光纤中进行传送,每个光通路承载一个TDM方式的SDH信号。 采用WDM技术可以把光纤的传输容量扩大几倍甚至几十倍。WDM系统中最基本、也是最 重要的是各复用光通路的SDH光传输设备,它们负责信号码流的发送与接收,以及开销的处 理等。 1.WDM的关键技术 WDM的关键技术包括三个方面:合/分波器、光放大器和光源器件。 合/分波器实际上就是光学滤波器,其作用是对各复用光通路信号进行复用与解复用。 对它们的基本要求是:插入损耗低、隔离度高、具有良好的带通特性、温度稳定性好、复 用通路数多和具有较高的分辨率等。 光放大器的作用是对复用后的光信号进行直接光放大,以解决WDM系统的超长距离传输 问题。一般来讲,合/分波器的插入损耗较大,大大减小了WDM系统的传输距离(仅为三四 十公里左右),满足不了实际需求。使用光放大器后,不仅可使WDM系统的传输距离达到常 规要求,而且还可以实现超长距离传输,达到640km无电中继传输。因此对光放大器的要求 是:有很高的增益、很宽的带宽和较低的噪声系数等。目前在1550nm波长范围皆采用掺饵 光纤放大器(EDFA),但在1310nm波长范围尚无实用化的光放大器,所以目前WDM技术主要 用于1550nm波长范围。最近,半导体光放大器(SOA)技术已经成熟,这种放大器具有高增 益、低噪声等特点,并能够对1310nm窗口的光信号进行放大,有望在近期得到商用。 WDM系统的超长距离传输对光源器件提出了非常苛刻的要求,光源器件必须具有十分狭 窄的谱宽和非常稳定的发射波长。 光纤通信系统的传输距离可能会受到系统损耗的限制,也可能会受到系统色散的限制, 而在高速率传输的情况下,往往是色散受限占主要地位。光放大器的使用只是解决了损耗 受限的问题,而色散受限的问题则需要选择谱宽极窄的半导体激光器来解决。实践证明, 采用传统的直接调制方式会使半导体激光器在高速率条件下工作时产生所谓调嗽声,它极 大地限制了系统的传输距离。要想实现超长距离传输,必须减小或避免调嗽声现象,所以 WDM系统使用的光源器件必须放弃传统的直接调制方式而改用外调制方法,即所谓外调制型 光源。 此外,ITU-T对WDM系统的工作波长及其偏差(频偏)作了严格的规定,如系统工作光 波波长的偏差在±0.08nm范围,这就要求光源器件的发光波长非常稳定,否则复用光通路 的信号可能会串到相邻的光通路之中,在解复用时会产生混乱。 2.WDM技术的优点 WDM技术之所以在近几年得到迅猛发展是因为它具有下述优点。 (1)超大容量传输 WDM系统的传输容量十分巨大。由于WDM系统的复用光通路速率可以为2.5,10Gbit/s 等,而复用光通路的数量可以是4,8,16,32甚至更多,因此系统的传输容量可达到300- 400Gbit/s。而这样巨大的传输容量是目前TDM方式根本无法做到的。 目前,(8-32)×2.5Gbit/s和16×10 Gbit/s的 WDM系统已经达到商用水平,而 132×10Gbit/S的 WDM系统也已有报导。 (2)节约光纤资源 对单波长系统而言,1个SDH系统就需要一对光纤,而对WDM系统来讲,不管有多少个SDH 分系统,整个复用系统只需要一对光纤就够了。例如对于16个2.5 Gbit/s系统来说,单波 长系统需要 32根光纤,而WDM系统仅需要2根光纤。节约光纤资源这一点也许对于市话中继 网络并非十分重要,但对于系统扩容或长途干线来说就显得非常可贵。 (3)各通路透明传输、平滑升级扩容 只要增加复用光通路数量与设备,就可以增加系统的传输容量以实现扩容,而且扩容时 对其它复用光通路不会产生不良影响。所以WDM系统的升级扩容是平滑的,而且方便易行, 从而最大限度地保护了建设初期的投资。 WDM系统的各复用通路是彼此相互独立的,所以各光通路可以分别透明地传送不同的业 务信号,如话音、数据和图像等,彼此互不干扰,这给使用者带来了极大的便利。 (4)充分利用成熟的TDM技术 以TDM方式提高传输速率虽然在降低成本方面具有巨大的吸引力,但面临着许多因素的 限制,如制造工艺、电子器件工作速率的限制等等。据分析,TDM方式的10 Gbit/s光传输 设备已非常接近目前电子器件的工作速率极限,再进一步提高速率是相当困难的(至少目前 的技术水平如此)。 而WDM技术则不然,它可以充分利用现已成熟的TDM技术,相当容易地使系统的传输容量 达到80Gbit/s水平,从而避开开发更高速率TDM技术(10Gbit/s以上)所面临的种种困难。 目前TDM方式的2.5 Gbit/s光传输技术已十分成熟,WDM可以把几个甚至几十个2.5 Gbit/s的光传输系统作为复用通路进行复用,使传输容量成几倍甚至几十倍地增加,达到 10,20,40,80Gbit/s甚至更高水平。而目前用TDM方式达到如此高的传输容量几乎是不可 能的。 (5)利用EDFA实现超长距离传输 接饵光纤放大器(EDFA)具有高增益、宽带宽、低噪声等优点,在光纤通信中得到了广 泛的应用。掺饵光纤放大器的光放大范围为1530-1565nm,但其增益曲线比较平坦的部分是 1540-1560nm,它几乎可以覆盖整个WDM系统的1550nm工作波长范围。所以用一个带宽很宽 的掺饵光纤放大器就可以对WDM系统各复用光通路信号同时进行放大,以实现系统的超长距 离传输,避免了每个光传输系统都需要一个光放大器的情况。WDM系统的超长传输距离可达 到数百公里,节省大量中继设备,并降低成本。 (6)对光纤的色散无过高要求 对WDM系统来讲,不管系统的传输速率有多高、传输容量有多大,它对光纤色度色散系 数的要求基本上就是单个复用通路速率信号对光纤色度色散系数的要求。如 20 Gbiifs (8×2.5Gbit/s)的WDM系统对光纤色度色散系数的要求就是单个2.5 Gbit/s系统对光纤 色度色散系数的要求,一般的G.652光纤都能满足。 但TDM方式的高速率信号却不同,其传输速率越高,传输同样距离所要求的光纤色度色 散系数就越小。以目前敷设量最大的G.652光纤为例,用它直接传输2.5Gbit/s速率的光信 号是没有多大问题的,但若传输TDM方式10Gbit/s速率的光信号,就对系统的色度色散等参 数提出了更高的要求,同时对光纤的偏振模色散值也提出了较高的要求。 (7)可组成全光网络 全光网络是未来光纤传送网的发展方向。在全光网络中,各种业务的上下、交叉连接 等都是在光路上通过对光信号进行调度来实现的,从而消除了电光转换中电子器件的瓶颈。 例如,在某个局站可根据需求用光分插复用器(OADM)直接上、下几个波长的信号,或者 用光交叉连接设备(OXC)对光信号直接进行交叉连接,而不必像现在这样首先进行光一电 转换,然后对电信号进行上、下或交叉连接处理,最后再进行电一光转换,把转换后的光 信号输入到光纤中进行传输。 WDM系统可以与OADM,OXC混合使用,以组成具有高度灵活性、高可靠性、高生存性的 全光网络,以适应宽带传送网的发展需要。 二、光波长区的分配 1.系统工作波长区 石英光纤有两个低损耗窗口,即1310nm与1550nm,但由于目前尚无工作于1310nm窗口 的实用化放大器,所以WDM系统的工作波长区为1530-1565nm。G692建议规定,WDM系统的 工作波长范围为152877-156061nm,对应的工作频率为198.1-1921THZ。 要想把许多的光通路信号进行复用,必须对复用光通路信号的工作波长进行严格规范, 否则系统会发生混乱,合波器与分波器也难以正常工作。因此,如何在此有限的波长区有 效地进行通路分配,关系到能否提高带宽资源的利用率和减少相邻通路之间的非线性影响。 与一般单波长系统不同的是,WDM系统通常用频率来表示其工作范围,这是因为用频率 比用光波长更准确、方便,这一点以后会看到。 工作波长λ与工作频率f的关系为: λ=c/f(1)其中:c为光在真空中的传播速度。 2.绝对频率参考(AFR) 绝对频率参考是指WDM系统标称中心频率的绝对参考点。用绝对参考频率加上规定的通 路间隔就是各复用光通路的具体标称中心频率(中心波长)。 G.692建议规定,WDM系统的绝对频率参考为193.1THz,与之相对应的光波长为1552.52 nm。 绝对频率参考的精确度是指绝对频率参考信号相对于理想频率的长期频率偏移;绝对 频率参考的精度包括温度、湿度和其它环境条件变化所引起的频率变化,这些内容尚处于 研究之中。 3.通路间隔 所谓通路间隔是指两个相邻复用通路之间的标称频率差。通路间隔可以是均匀的,也 可以是非均匀的。非均匀通路间隔可以用来抑制G.653光纤的四波混频(FWM)效应,但目 前大部分还是采用均匀通路间隔。 G.692建议规定,通路间隔是100GHz(约0.8nm)的整数倍,可以是100,200,400, 500,600GHz等。显然,采用的通路间隔越小,要求分波器的分辨率越高。通常采用两种 通路间隔标准,即 200 GHz(约1.6nm)或100GHz(约0.8n)。 4.标称中心频率 标称中心频率是指WDM系统中每个复用通路对应的中心波长(频率)。在G.692建议中, 通路频率是基于绝对频率参考为193.1THz、最小通路间隔为100GHz的频率间隔系列,所以 长期选择应满足以下要求: ①至少要提供16个波长,以保证当复用通路信号为 2.5Gbit/s时,系统的总传输容量 可以达到40Gbit/s。但波长的数量也不宜过多,因为对众多波长的监控是一个相当复杂又 较难应付的问题。 ②所有波长都应位于光放大器增益曲线比较平坦的部分,这样可以保证光放大器对每 个复用通路提供相对均匀的增益,有利于系统的设计和超长距离传输的实现。对于EDFA而 言,其增益曲线比较平坦的部分为 1540-1560nm。 ③这些波长应该与光放大器的泵浦波长无关,以防止发生混乱。掺饵光纤放大器的泵 浦波长为980nm和1480nm。 G.692建议对WDM系统各复用光通路的标称中心频率做了详细规定。 6.中心频率偏移 中心频率偏移又称频偏,是指复用光通路的实际中心工作频率与标称中心频率间的偏 差。 对于8通路的WDM系统,采用均匀间隔200 GHz(约1.6nm)为通路间隔,而且为了将来 向16通路WDM系统升级,规定最大中心频率偏移为±20GHz(约±0.16nm)。该值为寿命终 了值,即考虑到温度、湿度等各种因素,在系统设计寿命终了时仍能满足的数值。 对于16通路的WDM系统,采用均匀间隔100GHz为通路间隔,规定其最大中心频率偏移 为±20 GHz(约±0.16nm),该值也为寿命终了值。 需要注意的是,通路间隔和频偏的频率与波长换算不能使用(1)式,因为该式是频率 和波长绝对值之间的换算。频率差Δv与波长λ波长差Δλ的关系式如下: Δ≈(C/λ1.λ2)Δλ (2)